□ 倪偉/文 顧元翔/攝

揭秘氣象觀測重器
——我國新一代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星風(fēng)云四號01星技術(shù)與應(yīng)用解讀

□ 倪偉/文 顧元翔/攝

2016年12月11日凌晨，我國新一代地球靜止軌道氣象衛(wèi)星風(fēng)云四號首發(fā)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心順利升空。風(fēng)云四號不僅是我國風(fēng)云衛(wèi)星中最先進的一顆星，也代表著世界同類衛(wèi)星最高水平?？梢哉f，在氣象衛(wèi)星領(lǐng)域，風(fēng)云四號使我國向航天強國躍進了一步。

將四項蘊含全球頂尖技術(shù)的關(guān)鍵載荷集于一身的風(fēng)云四號，在提高我國氣象監(jiān)測、防災(zāi)減災(zāi)能力的同時，也為東半球帶來了福音。

風(fēng)云衛(wèi)星：千年未有之變局

新中國成立以后，對我國重創(chuàng)最嚴重的20個臺風(fēng)中，近3/4發(fā)生于1988年之前。而從登陸時中心氣壓和最大風(fēng)速等數(shù)據(jù)來看，1949年以來登陸我國最強的8個臺風(fēng)，有一半產(chǎn)生于1988年以后。

可見，近30年來登陸我國的超強臺風(fēng)并沒有減少，但每一次造成的損失都不及前30年的那些臺風(fēng)災(zāi)難，甚至不及其一個零頭。建國之初，一次臺風(fēng)動輒導(dǎo)致數(shù)千人遇難，而到了2014年，新中國歷史上的最強臺風(fēng)——在海南登陸的威馬遜——造成的遇難人數(shù)為56人。

臺風(fēng)依然可怕，但不再如幾十年前那樣讓人恐怖。這樣的感受，同樣適用于洪澇、干旱、暴雨、沙塵暴等自然災(zāi)害事件。引起這種變化的多種原因中，最重要的或許是氣象衛(wèi)星的應(yīng)用。

我國氣象衛(wèi)星就是風(fēng)云衛(wèi)星，此前，從1988年風(fēng)云一號第一顆衛(wèi)星發(fā)射起，我國共發(fā)射了14顆風(fēng)云衛(wèi)星，分為風(fēng)云一號、風(fēng)云二號、風(fēng)云三號3個系列，均由上海航天技術(shù)研究院抓總研制。

風(fēng)云衛(wèi)星為我國開了追風(fēng)觀云的“天眼”，讓中國人開始擺脫數(shù)千年來對“天有不測風(fēng)云”的無助。風(fēng)調(diào)雨順不再只是一個美好的愿望，而是可以依靠科技去預(yù)測甚至改造的結(jié)果。以臺風(fēng)為例，從1998年風(fēng)云二號投入運行以來，截至目前，西太平洋生成過444個臺風(fēng)（包括登陸或影響我國的168個），全部都被置于衛(wèi)星監(jiān)測之下，預(yù)報準確率連年提升。風(fēng)云三號衛(wèi)星上崗后，預(yù)報了我國每一次沙塵暴發(fā)生、發(fā)展、演變和消亡的整個生命史。自從有了風(fēng)云衛(wèi)星，我國防災(zāi)減災(zāi)、氣候變化應(yīng)對的面貌為之一變。

對氣象的觀測需求是無止境的。我國自然災(zāi)害頻發(fā)，各類氣象災(zāi)害嚴重威脅著國民人身和財產(chǎn)安全，每年造成的經(jīng)濟損失以千億元計。中央氣象臺此前發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，受超強厄爾尼諾和拉尼娜現(xiàn)象的影響，2016年1-10月，氣象災(zāi)害共造成我國直接經(jīng)濟損失近5000億元人民幣。

無論技術(shù)多先進，面對波詭云譎的大自然，氣象衛(wèi)星都顯得不夠。因此，風(fēng)云衛(wèi)星的演進也是無止境的。2008年登場的風(fēng)云三號是風(fēng)云一號的增強版，已經(jīng)全面替代風(fēng)云一號。1997年風(fēng)云二號首次發(fā)射，服務(wù)了近20年后，如今其替代星——風(fēng)云四號——也正式上場。

長三乙托舉風(fēng)云四號進入太空 張文軍 攝

風(fēng)云四號：慧眼凝視東半球

國際主流氣象衛(wèi)星分為兩類，一類是風(fēng)云一號、風(fēng)云三號這樣的極軌氣象衛(wèi)星，另一類是以風(fēng)云二號、風(fēng)云四號為代表的靜止軌道氣象衛(wèi)星。

極軌衛(wèi)星運行于距地球500千米～1000千米高度的太陽同步軌道上，始終繞地球旋轉(zhuǎn)；靜止軌道衛(wèi)星定位于3.6萬千米地球同步軌道上空，與地球相對靜止。前者掃視地球全局，后者則凝視著以中國為中心的東半球。

靜止軌道氣象衛(wèi)星是短期天氣預(yù)報的主導(dǎo)力量。當前中央電視臺天氣預(yù)報的衛(wèi)星云圖，基本來自于風(fēng)云二號E、F、G三顆星。而風(fēng)云三號這樣的極軌衛(wèi)星，則為更大時間和空間尺度的全球氣候變化和環(huán)境監(jiān)測收集著數(shù)據(jù)，它可以看見亞馬遜熱帶雨林一只蝴蝶扇動翅膀，是如何在美國得克薩斯州引發(fā)一場龍卷風(fēng)的。

天氣預(yù)報是否準確，不僅要看氣象衛(wèi)星本身夠不夠先進，也取決于這兩種氣象衛(wèi)星能否密切配合。如今，全球同時擁有這兩種氣象衛(wèi)星的，只有中國、美國和歐洲，氣象衛(wèi)星領(lǐng)域因此形成三足鼎立局面。

2016年10月，美國發(fā)射了GOES-R氣象衛(wèi)星，日本發(fā)射了葵花九號衛(wèi)星（關(guān)鍵技術(shù)來自于美國），歐洲MTG衛(wèi)星正在研制中，這標志著新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星集體登場。此時，風(fēng)云四號發(fā)射升空，共同推動了靜止軌道氣象衛(wèi)星新時代的到來。

之所以能擔(dān)起“新一代”之名，風(fēng)云四號的技術(shù)堪稱革命性。

與國外相比，風(fēng)云四號衛(wèi)星工程總師李卿稱，風(fēng)云四號與GOES-R長波紅外等波段；成像時間分辨率提高一倍，單星即可完成風(fēng)云二號雙星組網(wǎng)才能實現(xiàn)的15分鐘全圓盤成像，僅需1分鐘就能為1000平方千米區(qū)域成像……

風(fēng)云四號衛(wèi)星投入業(yè)務(wù)運行之后，將逐步接替風(fēng)云二號，進一步提高天氣預(yù)報準確率。同時，它還將實現(xiàn)一些以往從未有過的新功能，比如大氣垂直觀測，以及捕捉閃電等。

在風(fēng)云四號發(fā)射以前，我國發(fā)射的風(fēng)云一號、二號、三號衛(wèi)星示意圖

上圖：臺風(fēng)來襲右圖：2014年7月7日風(fēng)云二號E星所拍攝的臺風(fēng)“浣熊”衛(wèi)星云圖

全球靜止軌道氣象衛(wèi)星在軌示意圖

2014年7月7日，風(fēng)云二號E星所拍攝的臺風(fēng)“浣熊”衛(wèi)星云圖

“黑科技”（一）：感知0.1度冷暖 克服0.1毫克振動

話不多說，直接看東西。和MTG成像觀測能力相當。然而，只有風(fēng)云四號實現(xiàn)了把成像輻射計和干涉式垂直大氣探測儀裝于同一臺衛(wèi)星上，既能進行二維掃描式觀測，也能對大氣進行垂直方向的三維分層分析。

由此看來，風(fēng)云四號不僅穩(wěn)居世界一流氣象衛(wèi)星之列，而且很可能是最先進的一顆。

與前輩風(fēng)云二號相比，風(fēng)云四號從單一載荷變?yōu)?項主要載荷，承擔(dān)了4項不同功能。掃描成像輻射計的通道從5個增加到14個，覆蓋3個可見光和11個短波紅外、中波紅外和

這顆或許是世界上最厲害的氣象衛(wèi)星自帶了一些令人驚嘆的“黑科技”，這些“黑科技”主要依靠4個關(guān)鍵載荷實現(xiàn)。

首先是多通道掃描成像輻射計。氣象衛(wèi)星觀測地表狀況，主要通過不同溫度的輻射來辨識。

風(fēng)云四號成像并不是一次性掃描完整個半球，而是一行一行掃描，再拼出整個圖像，就像多個柵條合成一個百葉窗。相鄰“柵條”之間既不能有縫隙，又不能大面積重合，這要求衛(wèi)星鏡頭定位極其準確——不超過1千米。地面誤差不超過1千米，在3.6萬千米之遙的衛(wèi)星上，鏡頭的轉(zhuǎn)動角度就要控制在5角秒之內(nèi)。5角秒是多少呢？相當于秒鐘“滴答”轉(zhuǎn)動一格角度的1/4320。

所以，衛(wèi)星拍攝圖像時，既要“瞄得準”——相機準確定位，也要“對得上”——相鄰圖像配準精確。這就是氣象衛(wèi)星領(lǐng)域的世界性難題：圖像定位與配準。美國從1994年開始研究，通過數(shù)顆衛(wèi)星持續(xù)改進，直到2006年才有所改善，最新的GOES-R衛(wèi)星達到了1千米的定位精度。如果在軌運行良好，風(fēng)云四號將一步達到這個水平。

氣象衛(wèi)星屬于定量遙感衛(wèi)星的一種，需要獲取準確的、定量化的大氣和地表觀測信息。從3.6萬千米高空看地表某處，風(fēng)云四號感應(yīng)出的溫度與實測溫度不超過1攝氏度。而每當觀測區(qū)域升溫或降溫0.1攝氏度，風(fēng)云四號立刻就能感知。

風(fēng)云四號在發(fā)射場廠房出包裝箱后翻身

極少數(shù)的人能聽出“絕對音高”，風(fēng)云衛(wèi)星則需要感知“絕對輻射值”。然而，輻射計往往受到干擾，感知的輻射值與真實值產(chǎn)生偏差，因此需要為衛(wèi)星尋找一個準確的輻射值作為標準（“定標”）。準確的輻射值來自于保持確定溫度的定標物。衛(wèi)星一邊對著定標物掃描，校正“標尺”，一邊利用這個“標尺”測定觀測區(qū)域的數(shù)值。研制人員為風(fēng)云四號選擇的定標物包括月亮、宇宙空間內(nèi)4開（接近絕對零度）冷背景、控溫在300開的一個星上黑體以及多個地面靶標等等。

第二項關(guān)鍵載荷是干涉式大氣垂直探測儀。底層云與高層云之間存在著溫差，從而產(chǎn)生對流，發(fā)生強對流天氣。當我們對強對流天氣的研究不斷深入時，就必須對不同高度的大氣進行一層層切片分析。用風(fēng)云四號衛(wèi)星總設(shè)計師董瑤海的話說，就像對大氣環(huán)境作CT掃描，對暴雨等強對流天氣的觀測將更細致、更準確。

然而，干涉式垂直探測儀對振動干擾極其敏感，些微振動就會誘發(fā)動鏡發(fā)生角秒級的傾斜，使得光譜性能退化。其最敏感的一段，微振動量級必須小于0.1毫克（手輕擊桌面的振動量級約為300毫克，說話聲擾動空氣的振動量級約為1毫克）。微振動測量與抑制難題的攻克，在我國衛(wèi)星研制史上也是開創(chuàng)性的。

風(fēng)云四號將掃描成像輻射計與干涉式大氣垂直探測儀集于一身，這不僅是全球首創(chuàng)，也挑戰(zhàn)了行業(yè)慣例。因為兩臺載荷均裝有運動部件，同時工作會對衛(wèi)星平臺產(chǎn)生擾動。歐美均未實現(xiàn)“合體”，歐洲計劃用兩顆衛(wèi)星分別實現(xiàn)成像觀測和垂直探測，后者最快2022年才能發(fā)射。風(fēng)云四號衛(wèi)星平臺則通過圖像配準與導(dǎo)航和整星隔振等技術(shù)，第一個登上了珠穆朗瑪峰。

這不是“炫技”之舉，不僅可以節(jié)約成本，對于氣象觀測效果也大有裨益。風(fēng)云四號副總設(shè)計師沈毅力解釋，這兩臺儀器以同一個角度觀測同一個目標，綜合水平與垂直方向數(shù)據(jù)進行分析，會進一步提高觀測精度。

“黑科技”（二）：捕捉閃電之光 預(yù)報宇宙晴雨

第三項載荷閃電成像儀，將使我國開始在高空抓拍閃電。成像儀以每秒500張照片的速度高速抓怕，并且在星上進行實時分析，篩選出有閃電的圖片立即傳回地面。閃電的光譜非常窄，波長只在777納米這個點上，因此成像儀必須過濾掉其他波長，只接收777±1納米的光，這對成像儀提出了極高的光學(xué)要求。

雷電往往伴隨著暴雨等強對流天氣，閃電監(jiān)測將成為強對流天氣觀測和跟蹤的一個新手段。

第四項重要載荷空間環(huán)境監(jiān)測儀器包有些特殊，它并非用于觀測地球上的風(fēng)霜雨雪，而是用來觀測宇宙空間的“天氣”。地面上的人需要了解天氣、應(yīng)對氣象災(zāi)害，宇宙中的航天器和航天員同樣需要了解宇宙“天氣”。

空間環(huán)境監(jiān)測儀器包包括高能粒子探測器、三軸磁通門磁強計、衛(wèi)星輻照計量儀與充電電位測量儀，可用于災(zāi)害性空間天氣事件的監(jiān)測，對太陽活動、地磁環(huán)境、電離層和高層大氣環(huán)境及衛(wèi)星運行環(huán)境進行預(yù)報。例如，空間電磁風(fēng)暴會干擾通信衛(wèi)星的運行，空間環(huán)境監(jiān)測儀器可以監(jiān)測和預(yù)報太陽風(fēng)暴的發(fā)生，為航天器和航天員提供環(huán)境預(yù)警。

將如此多精密載荷集于一身的風(fēng)云四號，并非獨自漂浮在宇宙中，它乘坐在一個平穩(wěn)可靠的座椅上——SAST5000衛(wèi)星平臺。SAST5000是具有角秒級測量和控制精度的高軌三軸穩(wěn)定衛(wèi)星平臺，采用了六面柱體構(gòu)型，優(yōu)點包括承載能力大、質(zhì)心低、力學(xué)響應(yīng)小、對地面大等等，國內(nèi)首創(chuàng)的高精度圖像定位與配準技術(shù)和微振動抑制測量技術(shù)等均依靠平臺才能實現(xiàn)。

SAST5000伴隨風(fēng)云四號首次登場，也一舉收獲我國“最強定量遙感衛(wèi)星平臺”的榮譽。

風(fēng)云四號效果圖

測試風(fēng)云四號衛(wèi)星電池帆板

造福人類：普天之下共安寧

幾十年來，風(fēng)云衛(wèi)星因為天氣預(yù)報被人們熟知，但其作用其實遠遠超過天氣預(yù)報。長周期氣象資料的收集，對于氣候觀測和預(yù)報起到了重要作用，大到厄爾尼諾、拉尼娜現(xiàn)象的預(yù)判，小到暖冬、冷冬、季節(jié)降水量的預(yù)測。利用大氣觀測，風(fēng)云衛(wèi)星可以追蹤全球?qū)α魈鞖?，對海面溫度的觀測，則可以分析洋流形勢。風(fēng)云衛(wèi)星還密切關(guān)注全球氣候變化，全方位對南北極冰蓋融化現(xiàn)象進行過觀察，并監(jiān)控、分析南極圈臭氧層的變化。

定位在東半球上空的風(fēng)云二號衛(wèi)星，已經(jīng)成為東半球共同的氣象守護神，東亞、東南亞、南亞、大洋洲等國家與地區(qū)，均使用風(fēng)云衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行氣象監(jiān)測。俯瞰全球的風(fēng)云三號衛(wèi)星，則是全人類共同的財富，2015年風(fēng)云三號C星被列入了空間與重大災(zāi)害憲章。

風(fēng)云衛(wèi)星已經(jīng)被世界氣象組織（WMO）納入國際氣象業(yè)務(wù)衛(wèi)星序列，為全球用戶提供衛(wèi)星數(shù)據(jù)共享服務(wù)。目前接受和應(yīng)用風(fēng)云衛(wèi)星資料的國家和地區(qū)多達70多個，確立了我國在氣象觀測領(lǐng)域的國際重要地位。

2005 年 1 月 ，時任國務(wù)院總理溫家寶在出席印度洋海嘯高峰領(lǐng)導(dǎo)人會議時，向各國表示，中國愿意與受災(zāi)國家分享風(fēng)云衛(wèi)星的有關(guān)資料和產(chǎn)品，為區(qū)域各國氣候預(yù)測、環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)害評估提供信息和技術(shù)支持。后來，中國政府又向孟加拉國、印尼、伊朗、蒙古、巴基斯坦、秘魯和泰國等國贈送風(fēng)云衛(wèi)星數(shù)字視頻廣播接收系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以接收利用風(fēng)云衛(wèi)星數(shù)據(jù)，還可接收利用美國和歐洲同類遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，保護一方氣象安全。

在風(fēng)云四號升空之前，其全球首個干涉式大氣垂直探測儀已經(jīng)為世界矚目，國外已有科研機構(gòu)提出申請，希望中國能開放相關(guān)探測數(shù)據(jù)，共同開發(fā)其學(xué)術(shù)價值。

氣象衛(wèi)星國際合作之路將隨著風(fēng)云四號衛(wèi)星繼續(xù)延伸。國家國防科工局表示，風(fēng)云四號將進一步拓展國際合作，促進開放共享，為“一帶一路”國家戰(zhàn)略的實施提供有力支持。

航天是一項在競爭中不斷發(fā)展的事業(yè)，尤其在各航天強國、航天大國之間，存在著激烈的角逐。然而，在氣象衛(wèi)星的應(yīng)用上，卻呈現(xiàn)出難得的和諧。因為氣象與全人類生存與發(fā)展息息相關(guān)，各國發(fā)展氣象衛(wèi)星的目的一致，都是造福人類。氣象衛(wèi)星技術(shù)的每一次進步，都增強著人類全體面對氣象變化的力量，人類就是這樣，永遠鍥而不舍地以獨有的智慧驅(qū)散著無助與脆弱。★